EUV光刻機(jī)何以造出5nm芯片

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）作為近乎壟斷的光刻機(jī)巨頭，ASML的EUV光刻機(jī)已經(jīng)在全球頂尖的晶圓廠中獲得了使用。無(wú)論是英特爾、臺(tái)積電還是三星，EUV光刻機(jī)的購(gòu)置已經(jīng)是生產(chǎn)支出中很大的一筆，也成了7nm之下不可或缺的制造設(shè)備，我國(guó)因?yàn)橘Q(mào)易條約被遲遲卡住不放行的也是一臺(tái)EUV光刻機(jī)。

但EUV光刻機(jī)的面世靠的不僅僅是ASML一家的努力，還有蔡司和TRUMPF（通快）兩家歐洲光學(xué)巨頭的合作才得以成功。他們的技術(shù)分別為EUV光刻機(jī)的鏡頭和光源做出了不小的貢獻(xiàn)，也讓歐洲成了唯一能夠造出此類精密半導(dǎo)體設(shè)備的地區(qū)。

為什么選擇極紫光

光刻機(jī)的分辨率是光刻機(jī)能夠清晰投影最小圖像的能力，這一關(guān)鍵指標(biāo)決定了這臺(tái)光刻機(jī)可以用于何種工藝節(jié)點(diǎn)。R=k1*λ/NA代表了與其相關(guān)的多個(gè)參數(shù)，其中R為分辨率，k1為光刻工藝系數(shù)，λ為波長(zhǎng)，NA為數(shù)值孔徑。

很明顯，要想壓縮分辨率有三種方法，減小光刻工藝系數(shù)，減小波長(zhǎng)或是增加數(shù)值孔徑。k1系數(shù)取決于芯片制造工藝的多種因素，ASML通過(guò)控制光線擊中光罩的方式和FlexPupil自由照明器光瞳整形技術(shù)，使得k1接近于0.3。但由于其物理極限為0.25，所以在將k1逼近極限的情況的同時(shí)，波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑上的改進(jìn)空間反而更大一點(diǎn)。

這也就是選用EUV的原因之一，EUV象征著極紫光。與DUV光刻機(jī)中用到的193nm ArF光源相比，其波長(zhǎng)只有13.5nm。因此EUV光刻機(jī)面臨的首要挑戰(zhàn)，就是如何生成這樣一個(gè)短波長(zhǎng)的極紫光。

現(xiàn)在不少芯片都已經(jīng)進(jìn)入了納米級(jí)制程，傳統(tǒng)準(zhǔn)分子激光器發(fā)射UV激光束的方法已經(jīng)愈發(fā)受限，對(duì)短波長(zhǎng)曝光的需求越來(lái)越大。一種解決方案就是通過(guò)激光照射生成的發(fā)光等離子體，以此提供這種超短波的輻射，而這種等離子體是如何形成的呢？這就要用到通快的二氧化碳脈沖式激光系統(tǒng)/激光放大器。

通快用于EUV的這套激光系統(tǒng)采用二氧化碳連續(xù)波激光器技術(shù)，功率可至10kW以上。發(fā)生器將錫液滴入真空容器中，激光器發(fā)射的高功率脈沖激光擊中錫液，錫原子被電離化后，也就生成了等離子體。接著收集鏡將等離子發(fā)射的EUV輻射集中傳輸至光刻系統(tǒng)，完成晶片曝光的過(guò)程。

提高數(shù)值孔徑的途徑

最后是如何做到更高的數(shù)值孔徑，這一參數(shù)象征了鏡頭系統(tǒng)可以收集和聚焦多少光量，因此必須從鏡頭和結(jié)構(gòu)出發(fā)來(lái)提高。浸入技術(shù)在透鏡和晶圓之間加入了一層水，將DUV光刻機(jī)的數(shù)值孔徑從0.93提高至了1.35。然而在應(yīng)用了EUV之后，這一數(shù)值反而降至0.33。不過(guò)在低K值和短波長(zhǎng)的助力下，分辨率還是要高過(guò)DUV的。目前0.33的NA雖然足以支持5nm及3nm制程，但要想更進(jìn)一步，必須要用到更高的NA，所以高數(shù)值孔徑成了ASML下一代系統(tǒng)EXE:5000主要解決的問(wèn)題之一。

而ASML的EUV光刻機(jī)鏡頭系統(tǒng)中，發(fā)揮最大作用的則是同樣來(lái)自德國(guó)的蔡司。由于絕大多數(shù)材料都會(huì)吸收極紫光，所以常規(guī)的透鏡會(huì)吸收EUV。為此，蔡司打造了一種光滑的多層布拉格反射鏡，每個(gè)鏡頭都有100多層，主要材料是硅和鉬，最大限度地提高極紫光的反射。

拋光對(duì)于鏡頭的平坦度來(lái)說(shuō)同樣極為重要，平坦的鏡面可以帶來(lái)更好的波前與成像表現(xiàn)，蔡司的高NA鏡頭RMS約為50pm。根據(jù)蔡司的說(shuō)法，如果將鏡頭大小等同于波蘭面積的話，那么鏡頭上最高的那座“山”甚至不到1厘米高。

從ASML現(xiàn)有的機(jī)器來(lái)看，目前NXE:3600和3400系列主要采用了蔡司的Starlith 3400鏡頭系統(tǒng)，數(shù)值孔徑可以做到0.33，分辨率為13nm。而下一代Starlith 5000可以做到0.55的數(shù)值孔徑，分辨率提升至8nm，這套系統(tǒng)尚在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，但開(kāi)發(fā)可能遇阻，因?yàn)锳SML宣布0.55的高NA EUV光刻機(jī)EXE:5000仍在尚在研發(fā)中，2023年底才會(huì)交出第一臺(tái)用于研究目的的機(jī)器，且這臺(tái)售價(jià)3億美元以上的機(jī)器商用量產(chǎn)已經(jīng)被推遲至2025年。

結(jié)語(yǔ)

從EUV光刻機(jī)內(nèi)部所用的技術(shù)來(lái)看，中國(guó)要想在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上再進(jìn)一步，單靠電路設(shè)計(jì)之類的應(yīng)用學(xué)科是無(wú)法突破的，光學(xué)、材料學(xué)之類的學(xué)科同樣要受到重視。除了蔡司和通快這樣的商用公司外，為了打造出EUV光刻機(jī)，ASML還借助了比利時(shí)微電子研究中心和美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室這些科研機(jī)構(gòu)的力量，蔡司也開(kāi)始每年舉辦免費(fèi)講學(xué)來(lái)培養(yǎng)光學(xué)人才。不再追求商業(yè)口號(hào)，做好產(chǎn)學(xué)研的深度融合，才是脫離卡脖子的困境的唯一出路。

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